Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ методов термомагнитной записи (ТМЗ)... 13
1.1. Обзор методов ТМЗ информации 13
1.2. Анализ моделей переключения носителя записи при ТМЗ 19
1.3. Анализ процессов стирания информации при ТМЗ 25
1.4. Обзор моделей ТМЗ 35
1.5. Обзор методов воспроизведения ТМЗ 52
1.6. Постановка задачи исследования - 61
ГЛАВА 2. Исследование и обоснование моделей переключения носителя информации при ТМЗ 66
2.1. Бинарная модель переключения носителя информации 66
2.2. Непрерывная модель переключения носителя информации 73
2.3. Обоснование моделей переключения состояния носителя 81
2.4. Модели процесса стирания информации при ТМЗ 92
2.5. Выводы к главе 2 108
ГЛАВА 3. Оптимизация геометрических параметров носителя информации при записи и стирании 109
3.1. Разработка метода оптимизации толщины магнитооптического носителя информации 109
3.2. Разработка метода оптимизации геометрических размеров области записи 119
3.3. Разработка метода выбора плотности размещения дорожек на поверхности носителя информации 126
3.4. Разработка метода выбора величины магнитного поля стирания информации 140
3.5. Повышение устойчивости областей записи к действию полей записи и стирания 150
3.6. Выводы к главе 3 156
ГЛАВА 4. Исследование процессов воспроизведения информации 157
4.1. Отношение сигнал-шум в системе магнитооптического воспроизведения 157
4.2. Характеристический импульс и амплитудно-частотная характеристика канала воспроизведения 172
4.3. Искажения при записи информации 177
4.4. Искажения сигнала при магнитооптическом воспроизведении 184
4.5. Исследование методов формирования сигнала воспроизведения при ТМЗ 197
4.6. Выводы к главе 4 212
ГЛАВА 5. Разработка и исследование моделей динамических процессов при ТМЗ 214
5.1. Обоснование модели расчета магнитного поля записи при конечной и "бесконечной " ширине дорожки записи 214
5.2. Описание петель гистерезиса при ТМЗ 222
5.3. Разработка самосогласованной динамической модели ТМЗ 231
5.4. Исследование динамических процессов при ТМЗ на носителе с записью за точку Кюри 240
5.5. Исследование динамических процессов при ТМЗ на носителе с температурным спадом коэрцитивной силы 254
5.6. Выводы к главе 5 262
ГЛАВА 6. Использование результатов анализа процессов записи, воспроизведения, стирания в разработках узлов накопителей информации с ТМЗ 263
6.1. Разработка электронной части каналов воспроизведения 263
6.2. Разработка систем синхронизации 273
6.3. Разработка каналов записи 279
6.4. Разработка сервосистем накопителей с ТМЗ 291
6.5. Контроль параметров носителей информации с ТМЗ 305
6.6. Выводы к главе 6 314
Заключение 315
Литература
- Анализ моделей переключения носителя записи при ТМЗ
- Обоснование моделей переключения состояния носителя
- Разработка метода выбора плотности размещения дорожек на поверхности носителя информации
- Характеристический импульс и амплитудно-частотная характеристика канала воспроизведения
Введение к работе
Вычислительная техника развивается исключительно высокими темпами. Создание высокопроизводительных машин и вычислительных систем, небывалый прогресс в области электронной обработки данных немыслимы без широкого использования устройств хранения информации. При разработке новых машин и систем по-прежнему приходится предусматривать иерархию запоминающих устройств (ЗУ) по быстродействию и емкости с тем, чтобы наиболее эффективно организовать процесс обработки информации. Данное обстоятельство может быть объяснено следующими причинами:
- значительная часть социально значимой информации переводится в электронную форму, благодаря вычислительной технике появилась возможность решения сложных задач;
- быстродействие микропроцессора возросло на несколько цорядков;
- ЗУ по-прежнему сдерживают потенциальный рост производительности вычислительной техники из-за несоизмеримости быстродействия ЗУ и микропроцессора.
В вычислительных системах это привело к еще большему увеличению числа типов ЗУ по сравнению с тем положением, которое существовало 20-30 лет назад, подтверждая необходимость использования иерархии памяти по быстродействию и объему хранения данных.
До настоящего времени ЗУ на магнитных дисках занимают доминирующее положение на рынке техники хранения информации большой емкости, являясь стандартным компонентом любого компьютера.
ЗУ на оптических дисках, имеющие конструктивное и структурное сходство с накопителями на магнитных дисках, находят более ограниченное применение по сравнению с магнитными дисками. Они используются в тех областях, где их преимущества проявляются очевиднее, несмотря на огромные потенциальные возможности. Поэтому в настоящее время продолжаются интенсивные исследования и разработки в области создания оптических внешних ЗУ, призванные расширить сферу их применения.
Первоначально оптические методы для хранения информации развивались исключительно для реверсивной записи информации. Однако отсутствие тогда надежных регистрирующих сред с малой энергоемкостью записи, а также слабая развитость элементной базы оптоэлектроники, недостаточное понимание происходящих процессов вызвали уменьшение внимания к данной области и направлению всех усилий на создание накопителей с поэлементной записью, не допускающих реверсивной записи.
О проблеме перезаписи всегда существовало два мнения:
- первое отвергало необходимость такой возможности (стирание информации) и связывалось с существованием почти неограниченных ресурсов по увеличению емкости накопителя, допускающих перезапись любого фрагмента информационного массива большое число раз на новых участках носителя (запись на новом месте носителя без его стирания). Такой принцип памяти может быть реализован только при условии малой стоимости регистрирующей среды;
- второе мнение допускало такую возможность (запись со стиранием или реверсивная запись) и базировалось на успехах исследований и разработок реверсивных носителей.
Время все расставило по своим местам, обеспечив право существования двум направлениям в области оптической записи. Оно не сняло проблему перезаписи вообще, а дало ей дополнительные стимулы к развитию.
Основные проблемы технической реализации накопителей с перезаписью свелись к созданию малоэнергоемких, надежных и дешевых носителей информации, обеспечивающих получение приемлемого по величине сигнала воспроизведения. Процессы, протекающие в накопителях с перезаписью, значительно сложнее, чем в накопителях с оптической записью путем, например, перфорации микроскопических отверстий в регистрирующей среде. Поэтому к ним не могут быть применимы многие подходы, развитые в теории оптической и магнитной записи, которая, в общем, является реверсивной.
Большой вклад в разработку методов проектирования накопителей на оптических дисках и теорию оптической и реверсивной записи внесли российские и зарубежные ученые: В. А. Буль, В. И. Михайлов, В. В. Петров, П. П. Макарычев, В. В. Китович, В. В. Рандошкин, А. К. Звездин, А. М. Бал-башов, А. Я. Червоненкис, Г. И Фролов, Б. М. МайклДжон, Дж. Браат и др. Однако техническая сложность накопителей, особенно допускающих перезапись, требует необходимости в теоретической, технической и технологической проработке многих вопросов проектирования, которые не были освещены упомянутыми авторами, и разработке системного подхода к анализу перезаписи.
Исследования автора выполнялись в рамках работ, проводимых в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР от 16.06.1987г. № 675 -155, Указанием Генерального директора департамента радиопромышленности Госкомоборонпрома РФ от 24.04 92 г. № 79, Распоряжением начальника департамента Госкомобороны РФ от 22.04.96 № 236.
Цель работы заключается в исследовании процессов записи, стирания, воспроизведения информации в накопителях с термомагнитной записью (ТМЗ) для повышения плотности записи, надежности стирания, устойчивости сигнала воспроизведения к возмущающим факторам, обоснованного выбора параметров реверсивных оптических накопителей информации с поэлементной записью данных. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-анализ современного состояния теории ТМЗ, магнитооптического воспроизведения, стирания информации;
-теоретическое и экспериментальное обоснование математических моделей переключения носителей записи, обеспечивающих высокую точность представления процессов, происходящих при ТМЗ;
-формулирование и решение задачи оптимизации параметров носителя информации при записи, воспроизведении, стирании для ТМЗ;
-теоретическое обоснование моделей ТМЗ, границ применимости моделей при исследовании записи, стирании, воспроизведении, анализ пере ходных процессов в регистрирующей среде с ТМЗ, специфических искажений информации в каналах записи-воспроизведения;
-построение каналов записи накопителей с ТМЗ и магнитооптическим воспроизведением и ряда других узлов накопителя.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы математического анализа, методы математической физики, теории поля, теории цифровой магнитной и оптической записи, поляризационной оптики.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что разработан системный подход к исследованию процессов записи, воспроизведения и стирания информации при ТМЗ на основе теоретически и экспериментально обоснованной модели переключения носителя, в том числе:
-предложена и обоснована пороговая модель переключения носителя, обеспечивающая более высокую точность представления процессов записи, воспроизведения, стирания, чем известная. В соответствии с этой моделью намагниченность области записи изменяется между двумя состояниями намагниченности насыщения непрерывно, в отличие от известной пороговой модели, определяющей только два состояния намагниченности. Предложенная модель включает в себя известную и лежит в основе разработанного системного подхода к анализу ТМЗ;
-дано теоретическое обоснование выбора величины полей записи, критериев надежного стирания информации с учетом принятого способа записи, продольной и поперечной плотности, параметров носителя, режимов записи. Обоснован выбор оптимальных параметров носителя для ТМЗ: толщины носителя, размера области записи, проведен анализ способов записи, базирующийся на предложенной пороговой модели переключения носителя. Показано, что импульсный способ записи является более предпочтительным для ТМЗ, чем потенциальный. Он обеспечивает меньшую величину поля записи и меньшую зависимость поля записи и стирания от поверхностной плотности, кодовых комбинаций и, следовательно, обеспечивает более стабильную запись и надежное стирание. Разработан способ повышения устойчивости областей записи к действию магнитных полей, не ухудшающий свойства носителя, что напрямую связано с возможностью увеличения плотности записи;
- разработаны способы исследования искажения сигналограммы при ТМЗ, искажения сигнала воспроизведения вследствие особой формы следа записи, неточностей работы систем автоматической стабилизации режимов при записи - воспроизведении, способа и плотности записи информации. При ТМЗ нарушаются временные и пространственные соотношения между исходными и записанными сигналами как при записи, так и воспроизведении. Показано, что потенциальный метод записи совместно с известными методами воспроизведения обладает большей неопределенностью формирования сигнала воспроизведения, чем импульсный;
- поставлена и решена задача по исследованию магнитного поля для ТМЗ при конечной (двумерная модель) и "бесконечной" (одномерная модель) ширине дорожки записи;
- теоретически обоснован новый способ обработки сигналов воспроизведения информации, обеспечивающий высокую точность ее воспроизведения, свободный от искажений. Способ воспроизведения основан на доказанном свойстве сигнала, заключающемся в том, что точка перехода первой производной сигнала воспроизведения мало чувствительна к колебаниям мощности записи, изменениям скорости носителя записи, расфокусировке при записи, нестабильности длительности импульса записи, неточности работы системы фокусировки, величине ухода с дорожки систем стабилизации сигнала и т.п. Предложенный способ нашел применение в ряде отечественных разработок накопителей;
- разработаны самосогласованные модели записи, обеспечивающие точный анализ переходных процессов при ТМЗ и распределение намагниченности в зоне записи, протяженности переходной области между перепадами намагниченности на движущемся носителе. Модели учитывают комбинированный характер переключения намагниченности: запись за точку Кюри и переключение в соответствии с петлей гистерезиса, принимая в расчет температурные зависимости ее параметров.
Практическая ценность работы заключается в создании методического обеспечения проектирования накопителей с ТМЗ и перезаписью на принципе ТМЗ, построения узлов накопителей в том числе:
- разработаны инженерные методы определения оптимальных параметров носителей информации для ТМЗ, позволяющие более обоснованно осуществить такой выбор;
- разработаны инженерные методы определения величин магнитных полей записи и стирания в зависимости от плотности записи, способов модуляции, параметров носителя информации;
- разработан технологический метод повышения стабильности носителя к действиям магнитных полей записи и стирания;
- разработаны инженерные методы расчета динамических процессов при ТМЗ, позволяющие получить информацию о промежуточных стадиях процесса перемагничивания и их влиянии на конечный результат записи;
- разработаны методы формирования сигнала воспроизведения, которые позволяют устранить большинство возмущений сигнала в канале воспроизведения и искажений информации при записи.
Применение разработанных методов позволяет реализовать подсистемы каналов записи-воспроизведения, стирания, синхронизации информации, отдельных сервосистем накопителей информации на реверсивных носителях с ТМЗ, функционирующих в условиях больших искажений при записи, малого сигнала, искажений при воспроизведении. Это обеспечивает высокое качество функционирования таких накопителей с поперечной плотностью записи не менее 800дор./мм, продольной плотностью записи не менее 1000 бит/мм и количеством циклов перезаписи не менее 10 млн раз.
Реализация и внедрение результатов исследования. Диссертация представляет собой теоретическое обобщение ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных в научно-исследовательском институте вычислительной техники за более чем 25 летний период работы автора в этой области. Результаты внедрены в накопителе на оптических дисках типа ЕС-5086 емкостью 32000 Мбайт, магнитооптическом накопителе емкостью 600 Мбайт, магнитооптическом накопителе емкостью 1300 Мбайт, накопителе информации специального назначения (шифр НОД - Ц ).
По результатам теоретических исследований, натурных экспериментов предложены технические решения, защищенные 12 авторскими свидетельствами на изобретения.
Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе Пензенского государственного университета при изучении студентами дисциплин "Микропроцессорные системы управления" и "Системы автоматизированного проектирования" на кафедре "Компьютерные технологии управления".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на:
- Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Разработка и применение оптоэлектронных и голографических запоминающих устройств", Москва, 1974 г.;
-XV Всесоюзном совещании "Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники", Москва, ноябрь, 1976 г.;
-Всесоюзной научно-технической конференции ЭВМ- 76, Москва, 1976 г.;
- Школе-семинаре " Новые магнитные материалы для микроэлектроники", Орджоникидзе, 1976 г.;
-111 Всесоюзной школе по доменным и магнитооптическим запоминающим устройствам", Астрахань, 1980 г.;
-111 Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике " Проблемы оптической памяти", Ереван, ноябрь, 1987 г.;
-Всесоюзной научно-технической конференции "Проектирование внешних запоминающих устройств на подвижных носителях", Пенза, сентябрь, 1988 г.;
-Конференции " Моделирование, проектирование и производство систем ВЗУ ЭВМ", Пенза, сентябрь, 1990 г.;
- 111 научно-методической конференции "Использование научно-технических достижений в учебном физическом эксперименте", Пенза, сентябрь, 1996 г.
Публикации. По теме диссертации было опубликовано 57 печатных работ, в том числе: 30 статей, 14 тезисов докладов на конференциях, монография. Получено 12 авторских свидетельств на изобретения.
Автор выражает признательность заведующему кафедрой " Компьютерные технологии управления" ПГУ, д-р. техн. наук., профессору А. И. Годунову за многолетнюю поддержку при работе над диссертацией.
Анализ моделей переключения носителя записи при ТМЗ
Запись информации при ТМЗ осуществляется при воздействии тепловых и магнитных полей. Источником теплового поля является излучение сфокусированного пучка лазера, имеющее гаусса распределение световой интенсивности. Источником магнитного поля является внешнее относительно носителя записи магнитное поле Нвнеш и внутреннее "размагничивающее" поле //раш, уменьшающее величину исходной намагниченности и описываемое фиктивными магнитными зарядами. Внешнее магнитное поле создается намагничивающей катушкой, постоянным магнитом или тем и другим.
На начальных этапах развития ТМЗ параметры носителя и геометрические размеры области записи выбирались таким образом, чтобы обеспечить насыщение переключенной области исключительно за счет размагничивающего поля [6]. Это было связано с идеей использования метода ТМЗ исключительно для хранения оперативной информации [2]. Для оперативного запоминающего устройства важна большая скорость записи, которую ограничивали известные тогда методы получения магнитного поля значением несколько сотен эрстед на расстоянии порядка одного миллиметра от источника поля.
Для оценки размагничивающих полей использовались приближенные формулы [7], полученные интегрированием по области, занятой магнитными зарядами или магнитными диполями. При их выводе пренебрегали толщиной носителя или значением одной из координат радиус-вектора от источника магнитного поля до точки наблюдения. В результате этого значения магнитных полей получались завышенными [8]. Кроме этого, не учитывалась температурная зависимость источников магнитного поля, что также приводило к завышенным результатам.
Известные методы измерения распределения магнитного поля в зоне записи микронных размеров не позволяли скорректировать модельные представления.
Все сказанное позволяло считать, что намагниченность в области записи достигает насыщения, методы ее расчета для ТМЗ не развивались. Выводы подтверждает и обзорная работа [2]. Автор работы, безусловно, владел методами расчета магнитных полей для пленочных магнитных матриц. Способами расчета магнитных полей при записи на носитель магнитными головками также нельзя было воспользоваться, т.к. развивалась продольная запись. ТМЗ технически проще выполняется на носителях с перпендикулярной анизотропией (намагниченными перпендикулярно плоскости).
Корректировка представлений о методах анализа размагничивающих полей для ТМЗ произошла с появлением работы [9], автор которой рассчитывал размагничивающее поле, используя температурную зависимость намагниченности. К сожалению, анализ был сделан для частного случая записи следа с круговой симметрией на неподвижный носитель, а полученной формулой для численного расчета нельзя было воспользоваться, т. к. она содержала ряд ошибок, исправленных в [8,10].
Приведенные в [9] данные расчета распределений магнитного поля и намагниченности рассматривались в динамике, которую невозможно было проверить, а конечный результат записи не был приведен. В ней не раскрывалась методика расчета намагниченности в зоне записи. Протяженность переходной области между двумя состояниями намагниченности считалась равной нулю. Перечисленные вопросы не рассматривались и в докторских диссертациях [11,12].
Аналогичная модель определения намагниченности в зоне записи рассматривалась и для другой разновидности ТМЗ - магнитной голографии [13]. В работах [14,15] описана уточненная модель определения размагничивающего поля для пленочного элемента, намагниченного перпендикулярно плоскости носителя. Полученное выражение носит громоздкий характер, и пользоваться им чрезвычайно затруднительно.
К теории ТМЗ в части определения размагничивающих полей, возникающих при записи, имеет отношение и "перпендикулярная запись" магнитными головками на носителе с перпендикулярной анизотропией [16-18].
Анализ температурных полей при нагреве лазерным пучком для целей сварки, термической записи путем выжигания отверстий в носителе проводился многими авторами, которые преследовали различные цели.
В одной из первых работ по исследованию тепловых полей [19] была решена задача нагрева двухслойной системы "носитель - подложка" лазерным излучением. Для анализа использовался метод интегральных преобразований. Рассматривался одномерный случай. Многими полезными выводами, полученными из данной работы, воспользоваться было сложно, т. к. рассматривался все тот же пороговый механизм переключения носителя с двумя устойчивыми состояниями, не позволяющий проанализировать "тонкую" структуру намагниченности следа записи.
Двухтомная монография [20,21], посвященная импульсному нагреву излучениями, содержит большое количество готовых формул для расчета тепловых полей в пластинах, которые ориентированы на анализ процессов, протекающих при нагреве различными тепловыми источниками. В монографии [22] приведены результаты изучения действия мощного лазерного излучения на различные материалы для целей сварки.
В работах [23-25] изучены процессы, протекающие при испарении материалов в ходе термической записи на материалах, не допускающих реверсивной записи.
Запоминание информации на носителе с ТМЗ основано на преобразовании изменения электрического сигнала во времени в соответствующее ему изменение состояния намагниченности вдоль дорожки записи. При взаимодействии магнитных и тепловых полей встает задача отыскания и исследования вида функции
Существует два [26] основных способа переключения состояния намагниченности носителя при ТМЗ. Первый заключается в нагревании материала за точку Кюри и последующем охлаждении его в присутствии магнит ного поля. Индивидуальные магнитные моменты частиц (спины), образующие материал, флуктуируют выше температуры точки Кюри, а затем "замораживаются " при охлаждении до температуры окружающей среды. На рис. 1.13,а изображена используемая при записи характеристика материала, в котором имеется фазовый переход второго рода [27]-точка Кюри. Направление намагниченности определяется направлением суммарного поля Н внеш разм При этом имеется две возможности: размагничивающее поле осуществляет намагничивание носителя до состояния насыщения или приложенное поле записи, суммируясь с размагничивающим полем, намагничивает материал до состояния магнитного_насыщения.
Значение поля Н внеш должно быть ниже поля образования "зародышей" Нп противоположной намагниченности (рис. 1.13,6) для участков материала, не подвергаемых тепловому воздействию.
Второй способ ТМЗ использует уменьшение поля образования зародышей противоположной намагниченности или коэрцитивной силы с увеличением температуры. Процесс изменения направления намагниченности показан на рис. 1.14. К регистрирующей среде прикладывается магнитное поле +Дшеш (рис. 1.14,а, точка 1), меньшее, чем коэрцитивная сила при температуре окружающей среды. Локальный нагрев участка носителя, обладающего температурной зависимостью коэрцитивной силы, изображенной на рис. 1.7, приводит к понижению коэрцитивной силы. Ее степень достигает такого значения, когда возможно переключение состояния намагниченности по петле гистерезиса (рис. 14,6).
Обоснование моделей переключения состояния носителя
Для обоснования достоверности рассмотренных моделей необходимо экспериментально определить намагниченность переключенной области записи при побитовой записи. Однако сделать это с требуемой точностью довольно сложно по следующим причинам:
1) малый размер участка записи (может достигать долей мкм). При таких размерах сказываются потери из-за дифракции света, которые теоретически и экспериментально определить достаточно трудно;
2) неучтенные потери из-за деполяризации излучения при прохождении света через оптический канал и ряда других погрешностей измерительной системы;
3) неразработанность модели записи участка "конечного" (малого) размера, что не позволяет построить теоретическую модель процесса поби товой записи и провести сравнение с экспериментальными данными.
Наиболее просто определить достоверность моделей - это получить сигнал воспроизведения от записи интерференционной картины на магнитной пленке, т.е. использовать метод магнитной голографии.
Источником излучения для записи магнитной голограммы служит импульсный лазер с модулированной добротностью, обеспечивающий образование интерференционной картины. Распределение интенсивности освещения пленки при падении на нее двух волн суммарной интенсивности 10 подчиняется закону
Если регистрирующая среда в начальном состоянии была намагничена, то при охлаждении участков, нагретых выше точки ІСюри, под влиянием магнитных полей от ненагретых областей, они перемагничиваются в противоположном направлении. В результате ТМЗ на пленке образуется магнитная решетка, период которой и соотношение размеров намагниченных в противоположные стороны участков зависят от режимов записи [117].
Предположим, что после окончания действия импульса записи интер-ферограмма имеет ширину Ьг, толщину h, период Д ширину переключенно 83
го при ТМЗ участка w, как показано на рис.2.6. Выберем начало координат в центре размагниченного участка интерферограммы.
Для расчета принята модель, в которой синусоидальное распределение температуры заменялось прямоугольным распределением с учетом уменьшения коэффициента термической модуляции при увеличении пространственной частоты \ID (рис.2.7).
На коэффициент термической модуляции оказывает влияние длительность импульса записи и пространственная частота (величина, обратная периоду интерференционной картины D). Его зависимость для трех длительностей импульсов записи приведена на рис. 2.7.
Распределения минимальной, максимальной и средней температуры от пространственной частоты записи приведены на рис. 2.9. Распределения температуры получены при отношении ширины переключенной области носителя к периоду интерференционной картины 1//)=0.5.
Таким образом, было рассчитано размагничивающее поле в точке х=у= =z= 0 при фиксированном отношении w/D=0,5. Оно приведено на рис. 2.10 (кривые 1 и 2).
На рис.2.11 приведена зависимость величины магнитного поля в центре интерферограммы от номера ненагретого элемента. Анализ графика рис. 2.11 позволяет сделать вывод, что основной вклад в размагничивающее поле вносят ближайшие намагниченные участки, и их влияние резко уменьшается с увеличением номера магнитного элемента, служащего источником поля. Магнитное поле, рассчитанное для центрального элемента интерферограммы, будет соответствовать магнитному полю, действующему на другие переключаемые области интерферограммы, т.е. распределение магнитного поля в соответствующих точках будет однородным.
Полученные значения магнитных полей с помощью функции передачи при ТМЗ (см. рис.2.3) позволяют определить намагниченность переключенных участков в соответствии с ПНМ (кривая 4 на рис.2.10).
По намагниченности легко вычислить частотно - контрастную характеристику (дифракционная эффективность в зависимости от пространственной частоты) по формуле [114], которая была изменена (табл. 2.2) для соответствия ее предложенной модели:
Разработка метода выбора плотности размещения дорожек на поверхности носителя информации
ТМЗ информации производится за счет поля записи, включающего собственное поле рассеяния материала носителя, который окружает нагретую выше пороговой температуры область записи и внешнее поле записи. Было показано, что при записи одиночного бита информации область записи в общем случае не намагничивается до состояния насыщения только за счет собственного поля рассеяния носителя. Это происходит потому, что в соответствии с пороговой МНТ поле записи меньше поля насыщения Нт при ТМЗ.
Увеличение плотности записи информации на носитель с ТМЗ приводит к тому, что суммарное поле записи уменьшается по сравнению с полем записи одиночного бита. Уменьшение поля записи происходит по двум причинам. Во- первых, уменьшается активная площадь магнетика за счет переключенных участков, расположенных вблизи области записи. Во-вторых, переключенные участки, имеющие намагниченность, антипараллельную намагниченности насыщенной пленки, сами оказывают влияние, противоположное полю записи насыщенного магнитного носителя.
Наличие упомянутых факторов приводит к необходимости сохранения около каждого записываемого бита достаточного количества магнетика или зоны, обеспечивающей запись нагретого участка собственным размагничивающим полем пленки, или приложения дополнительного внешнего поля записи.
Задача анализа магнитного взаимодействия в общем виде является сложной. Она включает в себя расчет большого количества тепловых, термомагнитных характеристик, связанных временной зависимостью, которые для носителя в пленочном состоянии определяются приближенно. Очевидно, должен учитываться принятый способ записи информации [128, 105]. Полный учет всех параметров дал бы результаты, практическая ценность которых была бы несоизмеримо малой по сравнению с затраченными усилиями. Это заставляет искать разумные модели и предположения.
Вывод выражений, учитывающих магнитное взаимодействие, делался на основании следующих предположений, упрощающих анализ. 1.ТМЗ ведется с частотой, при которой нагретые выше точки Кюри области в пределах участка дорожки записи охлаждаются одновременно. 2. Ранее переключенные области записи имеют намагниченность, определяемую полем записи одиночного бита. 3. Поле записи определяется только в центре нагретой выше пороговой температуры области записи. Динамические термомагнитные процессы в данной модели не рассматриваются. 4. Действие магнитных полей оценивается для простой модели (рис. 3.11), не учитывающей температурную зависимость намагниченности. Информация записывается потенциальным способом БВН (без возвращения к нулю). Рассматривается один из наихудших случаев.
Поле, создаваемое носителем, будем определять с помощью выражения (2.5), связывающего его с элементом магнетика. Начало координат выберем в середине нагретого выше пороговой температуры участка, расположенного в центре носителя намагниченного до насыщения. Аппроксимируем переключаемую при ТМЗ область прямоугольником со сторонами а и Ъ. Выполняя необходимое интегрирование по участкам, занятым магнитным материалом, и, используя принцип суперпозиции, получим выражение поля для записываемой области:
Последний член определяет поле #2, создаваемое битами ранее запи санных дорожек с продольной плотностью 5/ = - и поперечной 8q = —. V 1 - - I Я где l=2b, q 2a. Оно вычитается из поля записи одиночного бита, создаваемого насыщенным носителем. Вид этого члена в сильной степени зависит от принятого способа записи. Интегрируя выражение (2.5) по участкам, занятым переключенным магнитным материалом в местах, определяемых координатами / / и k-q, где I, к - целые положительные числа, получим интересующее нас поле. Для импульсного способа записи круглых областей с радиусом а вид последнего члена в (3.16) приведен в работе [129] и в разд. 3.4. Для способа записи БВН выражение для поля Нік сильно упрощается и принимает вид:
Для потенциального способа записи наихудшим случаем, при котором сигнал, соответствующий единице информации, минимален, будет изображенный на рис. 3.11. Затененными полосами отмечены области, переключенные до записи текущей дорожки. Данная ситуация имеет место в режиме записи на предварительно стертую дорожку.
Характеристический импульс и амплитудно-частотная характеристика канала воспроизведения
Для обоснованного выбора геометрических параметров битов, плотности записи необходимо рассмотреть проблему устойчивости областей записи к действию магнитных полей записи и стирания. Этот вопрос возник раньше всего при разработке ЗУ на цилиндрических магнитных доменах, где и был хорошо разработан математический аппарат теории устойчивости магнитных доменов, выведены критерии устойчивости [52,131].
Как было показано в предыдущих разделах, магнитные поля, действующие на область записи при записи и стирании, зависят от геометрических параметров носителя записи, размеров области записи, плотности записи, способа записи.
Круговой домен в пленке является стабильным при следующих условиях [122]: #s (a, h, Hz)\ = #разм {а, И) + Явнеш HW. где Н-% —суммарное поле, действующее на домен. Поле считается положительным, если по направлению оно совпадает с намагниченностью материала, окружающего круговой домен. Домен расширяется, если Hw — Н-\, сжимается, если /fw jFf , и является стабильным при Нw HY, Проблема устойчивости при ТМЗ разбивается на два относительно самостоятельных вопроса: устойчивость записываемых областей к полям записи и устойчивость к полям стирания.
Вопрос об устойчивости к полям записи возник при наблюдении записанных областей малого размера в относительно толстом носителе [4,5,6]. При записи на такой носитель, переключенный участок не имеет правильной формы, которая должна была бы быть из-за симметрии сфокусированного пучка лазера, используемого для нагрева. Происходит как бы "прорастаниє" записанного домена в окружающий намагниченный до насыщения материал, что при воспроизведении может привести к ошибке.
При стирании выбранного участка записи термомагнитным способом поле стирания действует также и на ненагретые области записи.
ПНМ позволяет точно определить магнитные поля, используемые для анализа стабильности при записи и стирании. Из нее также следует, что вопрос анализа стабильности записи ненагретых областей к воздействию магнитных полей можно свести к анализу стабильности при стирании (см. (2.7)). Такой вывод позволяет рассматривать только одно явление.
Условие полного стирания было рассмотрено в разд. 3.4 и выражается в виде неравенства (3.24). Из данной формулы видно, что поле стирания достигнет максимального значения, когда составляющие Ні и Щ будут стремиться к нулю. Данная ситуация соответствует режиму стирания одиночной области записи, когда поле стирания воздействует на ненагретую область записи.
Приведем результаты расчета магнитных полей стирания для двух моделей записи и двух носителей (MnBi, TbFe), поскольку для них имеются экспериментально полученные данные о полях стирания, необходимые для обсуждения. Результаты расчета напряженности для MnBi и двух моделей записи приведены на рис. 3.26 и 3.27 соответственно, в зависимости от толщины носителя информации и радиуса области записи. Значение //j-принято равным 1000 Э. Поля Hzh #г2, Яг3, #Z4, Hz5 соответствуют областям записи с радиусами 0,125, 0,25, 0,5, 1,0, 2,0 мкм. Из рисунков видно, что поле стирания для обеих моделей растет про порционально толщине носителя. Для толстого носителя и малых размеров записанных областей #стир может превысить Не. Из рис. 3.26 можно опреде лить максимальную толщину пленки, в которой возможно стабильное сти рание. Для области записи а=0,5 мкм hmax 0,054 мкм, при а=1 мкм h 0,064 мкм.
Однако на практике при изготовлении магнитооптических дисков желательно применять носитель большей толщины, чем толщина, определяемая стабильностью записанной информации к полям стирания, по многим причинам, среди которых:
1) оптимальная толщина носителя для воспроизведения информации, записанной с большой плотностью, лежит выше этого диапазона;
2) при увеличении толщины носителя в меньшей степени сказываются дефекты носителя, обусловленные технологическими причинами, в результате носитель получается с более однородными магнитными, оптическими и магнитооптическими параметрами.
Поднять коэрцитивную силу носителя можно несколькими способами, например, для MnBi - изменением весового соотношения висмута к марганцу относительно стехиометрического состава интерметаллического соединения [132].
Недостатком данного способа является то, что с возрастанием коэрцитивной силы происходит ухудшение оптических и магнитооптических параметров. Это связано с уменьшением эффективной толщины магнитного слоя за счет непрореагировавшего избытка одного компонента и недостатка другого, что в итоге приводит к уменьшению сигнала воспроизведения. Другим недостатком является принципиальная невозможность изменения коэрцитивной силы для выбранной толщины магнитооптического слоя. К тому же диапазон колебаний коэрцитивной силы, в пределах которого остальные параметры носителя пригодны для использования, довольно узок.
Повышение коэрцитивной силы "подпылением" к компонентам носителя ряда элементов также приводит к ухудшению параметров носителя [133].
В процессе экспериментов с носителем на основе MnBi и TbFe удалось открыть способ получения носителей с регулируемым повышением коэрцитивной силы, свободный от перечисленных недостатков [134]. Он заключается в том, что перед вакуумным напылением компонентов производят об работку поверхности подложки тлеющим разрядом в атмосфере остаточного воздуха при давлении 0,8 - 0,06 мм. рт. ст.
Обработка поверхности подложки тлеющим разрядом обеспечивает регулирование коэрцитивной силы посредством частичного распыления алюминиевых электродов, что приводит к появлению на подложке центров кристаллизации алюминия, служащих центрами образования дефектов носителя и местом прикрепления доменных стенок. Присутствие очень тонкого алюминиевого покрытия влечет за собой изменение структуры отлагающих слоев. Увеличение первоначального количества центров кристаллизации позволяет, не меняя весового отношения исходных компонентов относительно стехиометрического состава носителя, получить мелкокристаллическую структуру. Это существенно повышает коэрцитивную силу, которая связана с размером и количеством образованных дефектов.
В данном методе изменение коэрцитивной силы в широком диапазоне происходит при сохранении присущих данной толщине магнитооптических и магнитных свойств. В результате этого сигнал воспроизведения не уменьшается, но значительно повышается устойчивость записанной информации к магнитным полям стирания.
Предложенный способ поясняется рис. 3.28 и рис. 3.29, изображающими зависимость коэрцитивной силы Нс (кривые ЯсЬ Яс2, Яс3) и двойного угла фарадеевского вращения плоскости поляризации Fl, F2, Fb и коэффициента пропускания 71, 72, 73 для носителя на основе MnBi толщиной 0,05, 0,08, 0,1 мкм соответственно от длительности t обработки подложки тлеющим разрядом (ток разряда 600 мА).
